1 PRÁCTICA NÚMERO 1 ELECTRIZACIÓN Y LEY DE COULOMB Objetivos específicos: A) Comprobar los métodos de electrización de los cuerpos. B) Comprobar la ley fundamental de la electrostática. C) Comprobar la existencia de dos cargas eléctricas distintas. D) Comprobar experimentalmente y cuantitativamente, la fuerza eléctrica entre dos objetos electrizados. Marco teórico Tales de Mileto (hacia 600 a.C.) descubrió la propiedad que presenta el ámbar cuando se frota y al acercar éste a cuerpos ligeros como trozos pequeños de médula de sauco o corcho, éstos se atraen. A finales del siglo XVI, Gilbert observó que la misma propiedad se manifiesta en otros cuerpos, tales como la ebonita, el vidrio, etc. Al interpretar esta propiedad decimos que el ámbar está electrizado o que posee una carga eléctrica. Estos términos se derivan de la palabra griega elektron que significa ámbar. La electrización no es una propiedad fundamental de la materia, ya que en condiciones normales (estado neutro) la materia no está electrizada dado que se manifiesta, después de que por diferentes causas los cuerpos pueden electrizarse. Se dice que un cuerpo está electrizado cuando pierde o gana electrones y esta pérdida o ganancia dependerá de la sustancia o material de que este hecho. Un cuerpo está electrizado positivamente cuando pierde electrones y negativamente cuando gana electrones. A finales del siglo XVIII, el físico americano y hombre de estado Benjamín Franklín, llamó positivas a las cargas eléctricas producidas por materiales vítreos y negativas a las producidas por materiales resinosos. Los cuerpos se pueden electrizar por varios métodos: frotamiento, contacto e inducción (influencia). Las partículas subatómicas poseen propiedades y una de ellas es la carga eléctrica. La carga eléctrica puede ser de dos signos distintos positiva (+) o negativa (-). Esta propiedad es una cantidad medible que se expresa en coulombs (C), en honor a Charles Agustín Coulomb, general francés que realizó ciertos estudios sobre el tema de las interacciones eléctricas. Debido al signo de la carga eléctrica, dos partículas pueden atraerse si sus cargas son de diferente signo o rechazarse si son del mismo signo, este es el principio fundamental de la electrostática. En sus estudios experimentales para determinar la intensidad de la fuerza de atracción o de repulsión entre dos objetos cargados, Coulomb encontró que la intensidad de la fuerza entre los objetos es directamente proporcional a la magnitud de las cargas de éstos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación entre ellos. La constante eléctrica del medio en el aire o vacío resulta ser k=9X10 9 Nm 2 /C 2 . La relación matemática que describe la fuerza entre dos partículas con carga eléctrica es: INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS No. 8 “NARCISO BASSOLS” ACADEMIA DE FÍSICA LABORATORIO DE FÍSICA III NOMBRE DEL ALUMNO:_____________________________________ GRUPO:_____ EQUIPO:____ TURNO:____________ FECHA:____________ CALIFICACIÓN:______
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PRÁCTICA NÚMERO 1 ELECTRIZACIÓN Y LEY DE … III Practicas... · escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada experimento ... Máquina de Wimshurst y
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1
PRÁCTICA NÚMERO 1
ELECTRIZACIÓN Y LEY DE COULOMB
Objetivos específicos:
A) Comprobar los métodos de electrización de los cuerpos.
B) Comprobar la ley fundamental de la electrostática.
C) Comprobar la existencia de dos cargas eléctricas distintas.
D) Comprobar experimentalmente y cuantitativamente, la fuerza eléctrica entre dos objetos
electrizados.
Marco teórico
Tales de Mileto (hacia 600 a.C.) descubrió la propiedad que presenta el ámbar cuando se frota y
al acercar éste a cuerpos ligeros como trozos pequeños de médula de sauco o corcho, éstos se
atraen. A finales del siglo XVI, Gilbert observó que la misma propiedad se manifiesta en otros
cuerpos, tales como la ebonita, el vidrio, etc. Al interpretar esta propiedad decimos que el ámbar
está electrizado o que posee una carga eléctrica. Estos términos se derivan de la palabra griega
elektron que significa ámbar. La electrización no es una propiedad fundamental de la materia,
ya que en condiciones normales (estado neutro) la materia no está electrizada dado que se
manifiesta, después de que por diferentes causas los cuerpos pueden electrizarse. Se dice que
un cuerpo está electrizado cuando pierde o gana electrones y esta pérdida o ganancia dependerá
de la sustancia o material de que este hecho. Un cuerpo está electrizado positivamente cuando
pierde electrones y negativamente cuando gana electrones. A finales del siglo XVIII, el físico
americano y hombre de estado Benjamín Franklín, llamó positivas a las cargas eléctricas
producidas por materiales vítreos y negativas a las producidas por materiales resinosos. Los
cuerpos se pueden electrizar por varios métodos: frotamiento, contacto e inducción (influencia).
Las partículas subatómicas poseen propiedades y una de ellas es la carga eléctrica. La carga
eléctrica puede ser de dos signos distintos positiva (+) o negativa (-). Esta propiedad es una
cantidad medible que se expresa en coulombs (C), en honor a Charles Agustín Coulomb, general
francés que realizó ciertos estudios sobre el tema de las interacciones eléctricas. Debido al signo
de la carga eléctrica, dos partículas pueden atraerse si sus cargas son de diferente signo o
rechazarse si son del mismo signo, este es el principio fundamental de la electrostática.
En sus estudios experimentales para determinar la intensidad de la fuerza de atracción o de
repulsión entre dos objetos cargados, Coulomb encontró que la intensidad de la fuerza entre los
objetos es directamente proporcional a la magnitud de las cargas de éstos e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia de separación entre ellos. La constante eléctrica del medio
en el aire o vacío resulta ser k=9X109 Nm2/C2. La relación matemática que describe la fuerza
entre dos partículas con carga eléctrica es:
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y
TECNOLÓGICOS No. 8 “NARCISO BASSOLS”
ACADEMIA DE FÍSICA LABORATORIO DE FÍSICA III
NOMBRE DEL ALUMNO:_____________________________________ GRUPO:_____
A) Coloca el molinete metálico en la parte superior de la varilla de plástico con metal.
Conecta una cadena a cada uno de los electrodos de la máquina de Wimshurst (Figura
No. 5). B) Gira la manivela del generador y observa lo que sucede.
C) Escribe tus observaciones y realiza un esquema.
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Experimento No. 3 Flor de papel
Figura No. 6 Esquema
A) Repite el procedimiento anterior pero ahora coloca la flor de papel ver la figura No. 6. B) Gira la manivela de la máquina de Wimshurst y observa que sucede.
C) Realiza un dibujo y explica tus observaciones.
Experimento No. 4 Campanario eléctrico
Figura No. 7
A) Conecta las cadenas a los bornes del timbre electrostático ve la figura No. 7.
B) Gira la manivela y observa que sucede.
C) Escribe tus observaciones.
Experimento No. 5 Cuadro Centelleante
Figura No. 8
A) Conecta las cadenas a los bornes del cuadro centelleante a como se ve en la figura
No. 8. B) Gira la manivela de la máquina de Wimshurst.
B. Representar el campo eléctrico por medio de líneas de fuerza.
C. Comprobar las diferentes formas que adquiere el campo eléctrico de acuerdo a
los electrodos empleados.
Marco teórico
Las cargas eléctricas ejercen una influencia en la región que las rodea. Dicha región de
influencia se llama campo eléctrico. Por esta razón las cargas de diferente signo se atraen y
del mismo signo se rechazan, aun cuando se encuentren separadas. Esto quiere decir que las
cargas eléctricas influyen sobre la región que está a su alrededor debido a su propio campo
eléctrico. Como el campo eléctrico no se puede ver, el físico inglés Michael Faraday introdujo en
1823, el concepto de líneas de fuerza. Las líneas de fuerza se dibujan de la siguiente manera:
si la carga eléctrica es positiva éstas salen radialmente de la carga (figura 1a). Si la carga eléctrica es negativa, las líneas de fuerza llegan de una forma radial a la carga (figura 1b). Si
se tiene un dipolo eléctrico (una carga negativa y otra positiva el campo eléctrico se dibuja
saliendo de la carga positiva y entrando a la carga negativa (figura 2a). Si se tienen dos cargas
del mismo signo, por ejemplo dos cargas positivas, estas se dibujan saliendo de las cargas y
separándose debido a la repulsión (figura 2b). Las líneas de fuerza pueden dibujarse de tal
manera, que señalen, además de su dirección y sentido, el punto más intenso del campo eléctrico.
Mientras más cerca se encuentre de una carga eléctrica el campo eléctrico será más intenso y mientras más alejado será menos intenso.
En la Figura 1, las líneas de campo
eléctrico para una carga puntual. a) En el caso de una carga puntual positiva, las líneas son radiales hacia
afuera. b) Para una carga puntual negativa, las líneas son radiales
hacia adentro.
Figura No. 1
a) Carga positiva b) Carga Negativa
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La energía potencial debida a una carga colocada en un campo eléctrico es igual al trabajo
realizado contra las fuerzas eléctricas que transportan la carga desde el infinito hasta el punto
en cuestión kQq
Epr
donde q es la carga de prueba.
Figura No. 1. El campo eléctrico en la vecindad de una carga positiva Q, el campo se dirige
en forma radial hacia afuera, r representa las distancias respectivas a los puntos A y B.
El potencial V en un punto situado a una distancia r de una carga Q es igual al trabajo por
unidad de carga realizado contra las fuerzas eléctricas para transportar una carga positiva +q
desde el infinito hasta dicho punto.
El valor del potencial eléctrico V en cualquier punto que se encuentre a una distancia r de
una carga Q está dado por kQ
Vr
.
El potencial eléctrico V de una carga Q es el mismo en todos que se encuentren a la misma distancia de su centro. Por tanto, si se unen imaginariamente todos los puntos que tienen el
mismo potencial eléctrico, tendremos una superficie equipotencial. Por definición: una
superficie equipotencial es aquella que resulta de la unión de todos los puntos de un
campo eléctrico que se encuentran a un mismo potencial eléctrico. En la figura 2, se
muestra el mismo potencial a distancias iguales de la carga. Las superficies equipotenciales son
siempre perpendiculares en todos sus puntos a las líneas de fuerza del campo eléctrico, la dirección de estas dependen de la naturaleza de la carga. En el caso de una carga puntual, la
forma de la superficie equipotencial será de esferas concéntricas de diferente radio, el potencial
eléctrico dependerá de la magnitud del radio.
Figura No. 2. Se muestran las superficies equipotenciales de una carga positiva y una negativa.
Es importante señalar que en una superficie equipotencial no se necesita realizar ningún trabajo
eléctrico para llevar una carga de un punto a otro que se encuentren en el mismo potencial.
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Figura No. 3
En las placas conductoras como las de los
condensadores, las líneas del campo
eléctrico son perpendiculares a las placas y
las líneas equipotenciales son paralelas a
las placas.
Material y equipo
Fuente de poder (cd) (1)
Un multímetro (2)
Una cuba electrolítica (3)
Dos electrodos lineales (4) Cuatro cables de conexión (5)
Solución salina (6) Papel milimétrico (7)
Figura No. 4
Desarrollo experimental A) Monta el dispositivo de la figura No. 5 procurando que la cuba quede nivelada y agrega la
solución del modo que la profundidad sea de unos de 5 mm. B) Coloca la hoja de papel milimétrico debajo de la cuba.
C) Conecta la fuente de poder y escoge una de las escalas de 0 a 12 volts. Mueve la perilla
hasta 10.5 volts. D) Introduce la punta de prueba en la solución salina.
E) Mide los potenciales comenzando desde el punto cero hasta diez volts (el punto cero
comienza en el lado positivo y el punto donde se miden los diez volts es el negativo).
F) Traza líneas de igual potencial a 2, 4, 6 y 8 volts. Marca estos puntos en la hoja de papel milimétrico y dibuja rectas paralelas a los conductores.
G) Busca el punto donde se lea el potencial de 2 volts y mueve la punta de prueba
perpendicular al campo y mide los voltajes a lo largo de esa línea. H) Repite el procedimiento del inciso “F” a 4, 6 y 8 volts.
I) Traza las superficies equipotenciales en la hoja de papel milimétrico para adjuntarla en tu práctica.
Figura No. 5
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Cuestionario
Contesta las siguientes preguntas de acuerdo a los conceptos y principios fundamentales del
tema y en base a los resultados experimentales observados.
1. Define una superficie equipotencial
2. ¿Qué se requiere para que pueda circular la corriente eléctrica de un punto a otro en
un conductor eléctrico?
3. ¿En una superficie equipotencial se puede realizar trabajo? Explique por qué.
4. ¿Qué sucede con la energía potencial si una carga positiva se mueve en contra del
campo eléctrico?
5. ¿Cómo se dibujan las superficies equipotenciales en dos placas planas paralelas?
Conclusiones
En base a los objetivos de la práctica, en los experimentos realizados y los fundamentos
teóricos, escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada
experimento. Incluye la aplicación de lo aprendido en la vida diaria.
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PRÁCTICA NÚMERO 6
CAPACITOR DE PLACAS PLANAS
Objetivos específicos:
A. Identificar las partes de un capacitor de placas planas paralelas.
B. Calcular la capacitancia de placas planas paralelas.
C. Calcular la carga de las placas de un capacitor.
D. Demostrar la variación del potencial eléctrico entre las placas del capacitor a
diferentes distancias de separación.
Marco teórico Los capacitores son dispositivos que almacenan carga eléctrica, de manera más precisa: la
capacitancia es la carga que éste almacena por unidad de diferencia de potencial.
QC
V
Es claro que en unidades del SI la capacitancia se expresa en coulomb por cada Volt. La unidad
del SI para capacitancia es el farad (F), nombre puesto en honor de Michael Faraday:
1 Coulomb C1Farad = así la simbología es F =
1 oltV V
Sin embargo el farad (F), es una unidad muy grande, debido a ello se emplean los submúltiplos de ella. Prácticamente micro y picofaradios son más comunes, se tienen las siguientes: Un microfaradio (µF) = 1 x 10-6 Faradios
Un nanofaradio (nF) = 1 x 10-9 Faradios
Un picofaradio (pF) = 1 x 10-12 Faradios
El capacitor está formado por dos conductores eléctricos separados por un aislante llamado
dieléctrico que transportan cargas iguales y opuestas, tienen la propiedad de almacenar carga
eléctrica entre sus placas. Cada placa está conectada a una de las terminales de una batería,
que actúa como fuente de diferencia de potencial. El capacitor de placas paralelas depende de
sus propiedades geométricas del área de las placas (A), distancia de separación entre ellas (d)
ver figura 1. En el caso de que el dieléctrico sea el vació, la capacitancia se calcula de la
siguiente manera:
0o A
Cd
La mayor parte de los condensadores o capacitores tienen entre las placas un material no
conductor, llamado dieléctrico. En el caso de un capacitor de placas paralelas la capacitancia
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consiste en dos placas conductoras paralelas entre sí, cada una con una superficie A, separadas una distancia d. Cuando se carga el capacitor al conectar las placas a las terminales de una batería, las
placas adquieren cargas de igual magnitud. Una de las placas tiene carga positiva y la otra carga negativa.
Figura No. 1
Donde k es la constante dieléctrica es adimensional es decir carece de unidades y o es la
constante de permitividad del vació cuyo valor es 2
2
12 12
0 8.85 10 8.85 10C F
N m m .
Los capacitores se usan de manera regular en diversidad de circuitos eléctricos. Por ejemplo,
se usan para sintonizar la frecuencia de los receptores de radio, en filtros de fuentes de energía
eléctrica, para eliminar las chispas en los sistemas de encendido de los automóviles y como
dispositivos de almacenamiento de energía.
Energía almacenada en un capacitor con carga
El trabajo invertido al cargar el capacitor se presenta como una energía potencial eléctrica U
almacenada en el mismo. 2
2
2
1
2
1
2
QU
C
U QV
U CV
Este resultado es aplicable a cualquier capacitor, sea cual fuere su geometría. Para una
capacitancia determinada, la energía almacenada aumenta al incrementarse la carga y la
diferencia de potencial. En la práctica, existe un límite para la energía (o carga) máxima que
se puede almacenar, ya que en un valor lo suficientemente grande de V ocurrirá finalmente
una descarga entre las placas. Es por esta causa que los capacitores por lo general se marcan
con un voltaje de operación máximo.
Material y equipo
Ver figura No.2
Un capacitor de placas planas paralelas (1)
Una fuente de poder variable (2)
Un voltímetro (3)
Una máquina de Wimshurst (4)
Un soporte universal (5)
Cuatro cables de conexión de seguridad (6)
Un péndulo (esfera de unicel forrada de aluminio e1 hilo cáñamo (7)
1 Lenteja metálica con un soporte de aislador (8)
1 Regla graduada
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Figura No. 2
Desarrollo experimental
Experimento No. 1
Capacitor de placas planas paralelas
a) Arma el dispositivo de la figura número 3
b) Conectar la fuente de poder variable a los bornes del capacitor.
c) Conectar el voltímetro a los bornes del capacitor.
d) Separa las placas aproximadamente 10 cm.
e) Con los datos obtenidos calcula la capacitancia del capacitor. C ____________.
f) Encienda la fuente de poder variable a 6 kilo volts máximo.
g) Lea la lectura del voltímetro electrostático y anota.
h) Lectura: _____________. Determina la carga del capacitor: _________________.
i) Calcula la energía almacenada en el capacitor. U= __________________.
Figura No. 3
NOTA: La fuente de poder se puede sobrecalentar por lo que no puede subirse demasiado el voltaje. El foco de la fuente debe estar de color verde, sí cambia a color rojo se está
sobrecargando por lo que se debe apagar para que se restablezca.
Experimento No. 2
a) Sin desconectar los cables, saca una de las placas del capacitor y tomarla como se
muestra en la figura número 4.
b) Enciende la fuente a 5 kB y aproxima las placas (5 milímetros aproximadamente).
A. Identificar las diferentes combinaciones de capacitores.
B. Calcular la capacitancia equivalente de las combinaciones en los capacitores. C. Comparar la capacitancia equivalente calculada con la experimental.
Marco teórico Los capacitores se usan de manera regular en diversidad de circuitos eléctricos. Por ejemplo,
los capacitores tienen muchos usos en los circuitos de corriente alterna, en los circuitos de
radio y en el encendido de la mayoría de los automóviles. Los capacitores también se utilizan
en algunas cámaras fotográficas en las cuales una lámpara electrónica utiliza un capacitor
para almacenar la energía de una batería. Se usan también para sintonizar la frecuencia de
los receptores de radio, en filtros de fuentes de energía eléctrica, y como dispositivos de
almacenamiento de energía en unidades de destello electrónico.
Los capacitores se agrupan en serie, paralelo y en forma mixta (serie-paralelo).
Capacitores en serie
El diagrama del circuito equivalente de la figura 1, se conocen como combinación en serie
de capacitores. La placa izquierda del capacitor 1, y la placa derecha del capacitor 3 están
conectadas a las terminales de una batería.
Figura No. 1
Las características de una combinación de capacitores en serie son las siguientes:
1. La capacitancia total en un agrupamiento en serie está dada por la ecuación.
1
1 2 3
1 1 1 1T
n
CC C C C
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